KR20180029409A - 열전소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열전소자는 제1 기판; 상기 제1 기판의 상에 배치된 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치된 복수의 반도체 소자; 상기 반도체 소자 상 배치된 제2 전극; 및 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판;을 포함하고, 상기 반도체 소자와 상기 제2 기판 사이에 배치되고 상기 제2 기판의 측면까지 연장되어 배치된 터미널 전극을 포함하는 열

Description

열전소자{THERMOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전효율을 향상시킬 수 있는 열전소자에 관한 것이다.

일반적으로, 열전 변환 소자를 포함하는 열전 소자는 P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시킴으로써, PN 접합 쌍을 형성하는 구조이다. 이러한 PN 접합 쌍 사이에 온도 차이를 부여하게 되면, 제벡(Seeback) 효과에 의해 전력이 발생됨으로써 열전 소자는 발전 장치로서 기능 할 수 있다. 또한, PN 접합 쌍의어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다.

여기서, 상기 펠티어(Peltier) 효과는 외부에서 DC 전압을 가해주었을 때 p타입(p-type) 재료의 정공과 n타입(n-type) 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. 상기 제벡(Seeback) 효과는 외부 열원에서 열을 공급받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으키는 현상을 말한다.

이러한 열전소자는 간단한 조작으로 정밀하고 신속한 온도 조절 및 냉각/가열 전환이 가능하여, 고정밀 냉각기/항온기, 광부품 소자, 광학 센서 및 정밀 전자제품에 적용되고 있다. 또한, 열전 모듈은 직류전원의 극성을 바꾸어 줌으로써 하나의 모듈에서 냉각과 가열을 동시에 구현할 수 있기 때문에, 공조장치(Air Handling Unit) 등에도 효과적으로 활용될 수 있다. 그 밖에 예컨대 소형 냉장기, 화장품냉장고, 와인 냉장기, 냉온정수기, 차량용 냉방시트, 반도체 설비, 정밀 항온조 등의 냉각/항온 장치로 이용될 수 있다.

그리고 열전소자의 전극층에는 터미널 와이어가 본딩으로 연결된다.

하지만 열전소자가 소형화될수록 터미널 와이어 연결로 인한 불량이 발생하기 쉽다.

불량 문제를 해소하기 위해 터미널 와이어 대신 기판에 터미널 패드 부분을 넓게 형성하여 외부 회로와 납땜으로 연결하는 방법이 이용되기도 한다. 하지만 이러한 경우 외부 기판을 넓게 형성해야 하기 때문에 소자의 총 면적이 넓어지고, 면적 대비 성능이 낮아지는 문제점이 있다.

또한, 이러한 문제점을 해결하기 위해 터미널 와이어 대신 포스트(post, 금속 기둥)을 세우 외부 전원에서 와이어 본딩을 연결하는 방법이 이용되기도 한다.

하지만, 이러한 경우에도 하부 기판이 상부 기판보다 넓게 형성해야 하기 때문에 면적 대비 성능이 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 소형화에 되더라도 터미널 와이어 본딩 불량을 방지할 수 있는 열전소자를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 효율을 향상시킬 수 있는 열전소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판; 상기 제1 기판의 상에 배치된 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치된 복수의 반도체 소자; 상기 반도체 소자 상 배치된 제2 전극; 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판; 및 상기 반도체 소자와 상기 제2 기판 사이에 배치되고 상기 제2 기판의 측면까지 연장되어 배치된 터미널 전극;을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에서, 상기 터미널 전극은 상기 반도체 소자 중 최외곽에 배치된 반도체 소자의 일면에 배치된 전극이 연장될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에서, 상기 터미널 전극은 "ㄴ"자 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에서, 상기 터미널 전극은 상기 제1 전극 또는 제2 전극 중 적어도 어느 하나와 동일한 물질을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에서, 상기 터미널 전극은 상기 제2 기판의 상면까지 연장될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에서, 상기 터미널 전극은 "ㄷ"자 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에서, 상기 터미널 전극은 상기 제2 기판의 최외곽 일측에 배치된 제1 터미널 전극와 상기 제2 기판의 최외곽 다른 일측에 배치된 제2 터미널 전극을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자가 소형화되는 경우에도 터미널 전극을 용이하게 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 와이어 위치에 반도체 소자를 최소 2개 더 실장할 수 있어 열전 소자의 효율을 향상시킬 수 있다. 대략 3% 정도의 성능을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상부 기판이 하부 기판의 면적만큼 늘어나고 반도체 소자가 1열 또는 그 이상 실장 될 수 있으므로 소자 면적 대비 냉각 성능 및 효율을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 평면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 사시도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 종래의 열전소자에서 터미널 와이어 본딩 불량이 발생한 것을 나타낸 것이다.
도 6는 종래의 열전소자의 사시도를 나타낸 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 단면도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 평면도를 나타낸 것이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따은 열전소자의 사시도를 나타낸 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판(10), 제1전극(20), 반도체 소자(30), 및, 제2 전극(40) 및 제2 기판(50)을 포함할 수 있다.

상기 제1 기판(10)과 제2 기판(50)은 서로 마주보며 이격되도록 배치될 수 있다.

제1 기판(10) 및 제2 기판(50)은 반도체 소자(30)와 제1 전극(20)및 제2 전극(40)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 더욱이, 반도체 소자(30)가 다수 개로 구비될 경우, 제1 기판(10) 및 제2 기판(50)은 다수 개의 반도체 소자(30)들을 연결하는 역할을 수행할 수 있다.

또한, 제1 기판(10) 및 제2 기판(50)은 외부장치와 접합되어 반도체소자(30)의 열교환을 통해 외부로부터 열을 흡열시키거나 외부로 열을 방열시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 제1 기판(10) 및 제2 기판(50)은 외부장치와 반도체 소자(30) 간의 열전달을 수행하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 효율은 기판(10, 50)의 열전도율에 의한 영향을 받을 수 있다. 기판(10, 50)은 열전도율이 높은 세라믹으로 이루어질 수 있다.

기판(10, 50)은 우수한 열전도율을 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 기판(10, 50)은 알루미늄 및 구리 등으로 이루어질 수 있다. 금속기판을 사용하여 흡열 및 발열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 제1 기판(10) 및 제2 기판(50)을 금속기판으로 형성하는 경우에는 제1 기판(10) 및 제2 기판(50)에 형성되는 전극층(20, 40)과의 사이에 유전체층(미도시)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 상기 유전체층은 열전 소자를 형성하는 공정을 견딜 수 있는 내구성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대 유전체층은 Si2, Al2O3, TiO2, Zno, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다. 금속기판의 두께가 0.1mm 보나 얇은 경우나 0.5mm를 초과하는 두께에서는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전모듈의 신뢰성이 크게 저하되게 된다. 상기 유전체층의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.15mm의 범위에서 형성될 수 있다. 이 경우, 두께가 0.01mm 미만에서는 절연효율(혹은 내전압 특성)이 크게 저하되며, 0.15mm를 초과하는 경우에는 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어지게 된다.

상기 제1 기판(10)과 제2 기판(50)의 내측면에는 제1 전극(20) 및 제2 전극(40)이 배치될 수 있다.

즉, 제1 기판(10)의 상부에는 제1 전극(20)이 배치되고, 제2 기판(50)의 하부에는 제2 전극(40)이 배치될 수 있다.

상기 제1 전극(20) 및 제2 전극(40)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 반도체 소자(30)를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우, 도 3에 도시된 것과 같이 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 제1 전극 및 제2 전극의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 전극층의 두께가 0.01mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 0.3mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.

상기 제1 전극(20)과 제2 전극(40)은 지그재그 형태로 배치되어 제1 반도체 소자(31)와 제2 반도체 소자(32)가 직렬 형태로 연결될 수 있도록 한다.

이때 상기 제1 전극(20)과 제2 전극(40) 중 어느 하나의 전극은 연장되어 기판의 외측면까지 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 제2 전극(40)이 연장된 경우를 나타내었다.

도시된 바와 같이, 기판(10, 50) 사이에는 다수의 반도체 소자(30)가 배치될 수 있으며, 다수의 반도체 소자는 제1 반도체 소자(31)와 제2 반도체 소자(32)가 쌍을 이루도록 전극이 반도체 소자의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.

즉, 도 3에 도시된 것과 같이 다수의 전극이 분리되어 배치되어 있다.

이때 다수의 제2 전극(40) 중 최외곽 반도체 소자 상에 배치된 터미널 전극(41)을 포함할 수 있다. 상기 터미널 전극(41)은 다수의 반도체 소자 중 최외곽에 배치된 반도체 소자의 상부에 배치될 수 있다. 그리고 도시된 것과 같이, 터미널 전극(41)은 기판의 일측 및 다른 일측 최외곽에 2개 배치될 수 있다.

상기 터미널 전극(41)은 "ㄷ"자 형상일 수 있다. 제2 기판(50)의 하부에 배치된 전극이 연장되어 제2 기판(50)의 상부까지 연장배치될 수 있다. 즉, 제2 기판(50)의 표면을 따라 연장될 수 있다.

또한 상기 터미널 전극(41)은 "ㄴ"자 형상일 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예로써 터미널 전극(41)이 "ㄴ"자 형상인 경우를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 제2 기판(50)의 하부에 배치된 터미널 전극(41)이 연장되어 제2 기판(50)의 측면까지 연장배치되어 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제2 기판(50)의 표면까지 연장될 수 있다.

상기 터미널 전극(41)을 기판의 상부까지 연장하여 배치하는 경우 도 5과 같이 기존의 열전 소자에 배치된 터미널 전극의 위치에 1열 만큼의 열전소재(반도체 소자) 실장이 가능하여 더 큰 열전성능을 내는 열전소자를 구현할 수 있다.

상기 전극층(20, 40) 사이에는 반도체 소자(30)가 배치되고 반도체 소자는 솔더에 의해 접합될 수 있다.

상기 반도체 소자(30)는 제1반도체 소자(31)로서 P형 반도체 와 제2 반도체 소자(32)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1 반도체 소자(31) 및 상기 제2반도체 소자(32)는 제1 전극(20) 및 제2 전극(40)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(L1, L2)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다.

아울러, 열전소자 내의 반도체소자(40)는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용할 수 있다. 이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 N형 반도체소자는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다.즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

단위셀을 이루며 상호 대향 하는 제1 반도체 소자(31) 및 제2 반도체 소자(32)의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향 하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.

즉, 상호 대향 하여 배치되는 단위셀의 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 한다.

도 5는 종래 열전소자에서 터미널 와이어에 의한 불량을 나타낸 것이다.

A를 참조하며, 터미널 와이어가 레그(반도체 소자)에 연결되어 불량이 발생한 것을 확인할 수 있다.

특히, 최근에는 열전소자가 소형화되어 이러한 불량이 발생하기 쉽다. 예를 들어 광통신용 레이저 모듈의 경우 열전소자는 레이저 모듈의 중앙 영역에 배치되는데, 소자가 작아서 터미널 전극 연결이 쉽지 않다. 터미널 전극까지 와이어 본딩을 하려면 각종 부품이 실장되어 있어 와이어 본딩이 쉽지 않다. 이를 위해 종래에는 포스트를 형성하였으나, 포스트를 형성하게 되면 상부기판의 면적이 좁아지고 그 결과 실장될 수 있는 반도체 소자의 수도 줄어들게 된다.

하지만, 본 발명에서와 같이 전극을 기판 상부까지 연장해서 배치하게 되면 이러한 문제를 해결할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10 : 제1 기판
20 : 제1 전극
30 : 반도체 소자
40 : 제2 전극
50 : 제2 기판

Claims (7)

1. 제1 기판;
   상기 제1 기판의 상에 배치된 제1 전극;
   상기 제1 전극 상에 배치된 복수의 반도체 소자;
   상기 반도체 소자 상 배치된 제2 전극;
   상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판; 및
   상기 반도체 소자와 상기 제2 기판 사이에 배치되고 상기 제2 기판의 측면까지 연장되어 배치된 터미널 전극;을 포함하는 열전소자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 터미널 전극은 상기 반도체 소자 중 최외곽에 배치된 반도체 소자의 일면에 배치된 전극이 연장된 열전소자.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 터미널 전극은 "ㄴ"자 형상인 열전소자.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 터미널 전극은 상기 제1 전극 또는 제2 전극 중 적어도 어느 하나와 동일한 물질을 포함하는 열전소자.
   
5. 제3항에 있어서, 상기 터미널 전극은 상기 제2 기판의 상면까지 연장된 열전소자.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 터미널 전극은 "ㄷ"자 형상인 열전소자.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 터미널 전극은 상기 제2 기판의 최외곽 일측에 배치된 제1 터미널 전극와 상기 제2 기판의 최외곽 다른 일측에 배치된 제2 터미널 전극을 포함하는 열전소자.
   
   

Images